Методы повышения эффективности систем передачи информации

[1, с. 400–427]; [2, с. 282-302]; [3, с. 255-259].

Системы связи, обеспечивающие необходимую скорость передачи информации R (бит/с) при заданной верности, различаются степенью использования ими основных ресурсов канала: пропускной способности C (бит/с), мощности сигнала P_S и занимаемой полосы частот F_S.

Наиболее общей характеристикой эффективности систем связи является коэффициент использования канала связи по пропускной способности (информационная эффективность) h =R /C (0 ≤ h ≤1).

Эффективность также часто оценивается коэффициентом использования канала по полосе частот (частотная эффективность) g =R / F_S (бит/с·Гц) и коэффициентом b использования канала по мощности (энергетическая эффективность) b =R / (P_S / N ₀), где P_S / N ₀ – отношение мощности сигнала к спектральной плотности мощности шума. Введя обозначение h ²= P_S / P _ш (отношение мощности сигнала к мощности шума в полосе F_S) и учитывая формулу Шеннона C = F_S ×log(h ²+1), нетрудно определить связь между этими коэффициентами эффективности:

g = h ² ×b; h = g / [log (g / b +1)].

Методы повышения эффективности систем передачи направлены на реализацию резервов в системе связи, указанных Шенноном и Котельниковым. Согласно теореме Шеннона величина h соответствующими способами модуляции – демодуляции и кодирования – декодирования может быть сделана сколь угодно близкой к единице при сколь угодно малой вероятности ошибок. Для такой идеальной системы связи получаем, приняв h = 1, предельную зависимость b = g× (2 ^g – 1). Эту зависимость удобно представить кривой на плоскости b g, где g меняется от 0 до при аналоговой передаче и от 0 до log₂ m_k при передаче дискретных сигналов с основанием m_k, а коэффициент b ограничен значением b _max = . Эта кривая является предельной и характеризует наилучший обмен между b и g.

В реальных системах связи вероятность ошибки p _ош ¹ 0 и h < 1. Кривые b = f (g) зависят от вида сигнала (модуляции), кода, способа обработки сигнала. Каждому варианту системы соответствует точка на плоскости в координатах b и g. Все эти точки располагаются на кривых ниже предельной кривой Шеннона. Чем ближе точка к предельной кривой, тем эффективнее система.

Методы повышения эффективности за счёт выбора способа модуляции и кодирования зависят от того, какой из параметров (b, g, h) максимизируется.

Так, в некоторых системах проводной связи важнейшим показателем увеличения мощности является частотная эффективность g. Условию наилучшего использования полосы частот при заданной верности передачи наиболее полно отвечает однополосная модуляция. В этой же однополосной системе достигается наибольшая информационная эффективность h = 1, однако помехоустойчивость низкая и повышена может быть лишь увеличением мощности сигнала. При жёстких ограничениях, накладываемых на мощность излучения, целесообразно осуществить обмен полосы пропускания на мощность сигнала. Это достигается путём перехода к многопозиционным сигналам (m_k > 2) и комбинированным видам модуляции. Обмен энергетической эффективности на частотную можно осуществить с помощью многопозиционных сигналов с ФМ и АФМ.

Наряду с системами, описанными выше, обеспечивающими выигрыш по g и проигрыш по b, используются системы с помехоустойчивыми кодами, обеспечивающие выигрыш по b и проигрыш по g. Применение корректирующих кодов позволяет повысить верность передачи информации или при заданной верности повысить энергетическую эффективность системы связи. Последнее условие особенно важно для систем с малой энергетикой (спутниковая, космическая, гидроакустическая связь).

Для повышения информационной эффективности h нужно повысить как эффективность системы кодирования, так и эффективность системы модуляции. Так, применение циклического кода в канале с ФМ или свёрточного кода в канале с АФМ (APK) позволяют получить одновременно выигрыш как по b, так и по g, или, во всяком случае, выигрыш по одному из показателей без ухудшения другого. Однако, построение таких высокоэффективных систем (h > 0,5) на основе сложных сигнально-кодовых конструкций ведёт к неизбежному увеличению сложности системы.

В технике связи используются различные методы повышения эффективности за счёт выбора способа передачи и обработки сигналов:

- разнесённый приём – передача одной и той же информации по параллельным каналам; при реализации разнесённого приёма существенно повышается помехоустойчивость приёма замирающих сигналов;

- приём в целом – демодулятор строится сразу на всё кодовое слово, что позволяет в сравнении с посимвольным приёмом, повысить верность. Этот приём технически осуществим только для коротких кодов;

- обратная связь. Системы с решающей обратной связью являются примером системного подхода к кодированию и модуляции с учётом свойств канала связи. В этих системах используются корректирующие коды небольшой длины, необходимые, как правило, только для обнаружения ошибок. В случае обнаружения ошибки в декодере по обратному каналу посылается сигнал запроса, и кодовая комбинация передаётся ещё раз. Таким образом, небольшая постоянная избыточность наращивается в соответствии с помеховой ситуацией в реальном канале, что означает простоту и адаптивность систем с решающей обратной связью;

- применение шумоподобных сигналов – позволяет повысить верность передачи в условиях многолучевости распространения сигнала за счёт повышения отношения сигнал-шум на входе решающего устройства;

- адаптивная коррекция. Осуществление адаптивной коррекции характеристики канала связи позволяет повысить скорость передачи информации за счёт ослабления межсимвольных искажений;

- эффективное кодирование источника. Кодирование источника со сжатием данных позволяет сократить избыточность источников сигналов (например, речи) и тем самым повысить эффективность систем передачи информации.

Вопросы для самопроверки

1 Дайте определения критериям эффективности систем связи.

2 Какими методами можно осуществить обмен показателей эффективности g на b и b на g?

3 Какова связь между помехоустойчивостью и эффективностью?

4 Перечислите методы повышения эффективности за счёт выбора способа модуляции и кодирования.

5 Перечислите методы повышения эффективности за счёт выбора способа передачи и обработки сигнала.

6 В каких каналах целесообразно применение корректирующих кодов не для снижения вероятности ошибки, а для увеличения энергетической эффективности?

7 Сравните системы с решающей обратной связью с системами без обратной связи, использующими коды с исправлением ошибок.

8 Какие факторы в реальных системах приводят к снижению эффективности по сравнению с предельной?